DE2745932A1

DE2745932A1 - MANIPULATOR

Info

Publication number: DE2745932A1
Application number: DE19772745932
Authority: DE
Inventors: Theodore Hahn Stackhouse
Original assignee: Milacron Inc
Current assignee: Milacron Inc
Priority date: 1976-12-23
Filing date: 1977-10-12
Publication date: 1978-06-29
Also published as: SE427910B; JPS5383265A; FR2375010A1; US4068536A; IT1091524B; NO144289B; DE2745932B2; NO144289C; CA1070356A; NO773861L; GB1565730A; FR2375010B1; SE7712550L; DE2745932C3

Description

Case 7653-FCase 7653-F

Cincinnati Milacron Inc., 4701 Marburg Avenue, Cincinnati, Ohio 45 2O9 - USACincinnati Milacron Inc., 4701 Marburg Avenue, Cincinnati, Ohio 45 2O9 - USA

Manipulatormanipulator

Die Erfindung betrifft mechanische Manipulatoren und wird in Verbindung mit einem verbesserten fernbedienbaren angelenkten und mit einem Ausleger versehenen Manipulator mit Universalgelenk offenbart. Mechanische Manipulatoren gibt es schon lange und wurden bei einer großen Vielzahl von Anwendungen verwendet, einschließlich der Handhabung von Explosivstoffen und anderen gefährlichen Materialien und der Durchführung von Arbeitsaufgaben in unsicheren oder unerwünschten Arbeitsbereichen, z.B. in einer radioaktiven oder unter Wasser gelegenen Umgebung. In letzter Zeit, insbesondere seit der ! Einführunp#on rechnergesteuerten industriellen Ausrüstungen, ; wurden Manipulatoren in zunehmendem Maße angewendet zur Durch- ; führung von unsicheren und. unerwünschten Aufgaben, die vorher von Menschen durchgeführt wurden. Hierdurch ergeben sich j Kostenersparnisse und eine erhöhte Produkt; ivitiit. Diese erhöhte Anwendung kann teilweise durch die außergewöhn-The invention relates to mechanical manipulators and is used in conjunction with an improved remotely operable articulated and a cantilevered universal joint manipulator disclosed. Mechanical manipulators there it has been around for a long time and has been used in a wide variety of applications including explosives handling and other hazardous materials and performing work tasks in unsafe or undesirable Work areas, e.g. in a radioactive or underwater environment. Lately, especially since the ! Introduction of computerized industrial equipment, ; manipulators were increasingly used to ; leadership of unsafe and. unwanted tasks previously performed by humans. This results in j cost savings and an increased product; ivitiit. This increased application can be partly due to the extraordinary

' liehen Verbesserungen der Steuersysteme in den letzten Jahren'Borrowed improvements in tax systems in recent years

j erklärt werden. Diese verbesserten Steuerungen fördern diej can be explained. These improved controls promote the

ι Eignung des Manipulators als Allzweckmaschine und geben demι Suitability of the manipulator as an all-purpose machine and give the

J Manipulator die Fähigkeit und Anpassungsfähigkeit zur Durch-J Manipulator the ability and adaptability to

; führung eines Weiten Bereichs von Arbeitsaufgaben. Die gegen-; management of a wide range of work tasks. Against-

ι wärtigen Steuerungen ermöglichen eine vorprogrammierte Eingangsinformation, die für gewöhnlich in numerischer Form aufCurrent controls enable preprogrammed input information, which usually appear in numerical form

Lochstreifen oder in einem magnetischen Speicher kodiert istPunched tape or encoded in a magnetic memory

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zur Informierung der Maschine durch eine Reihe von komplexen Bewegungen, die zur Durchführung der besonderen Aufgabe benötigt werden. Die Lochstreifen für diese Steuerungssysteme können leicht gespeichert und erneut in die Maschine eingesetzt werden, wenn die Durchführung der besonderen Aufgabe erneut erforderlich wird. Die teure und zeitraubende Einstellzeit für die gesteuerte Maschine ist dann beseitigt, wenn der Lochstreifen einmal hergestellt ist. Die Maschine kann als Allzweckmaschine ausgelegt werden, die in der Lage ist, eine große Vielzahl von Arbeitsaufgaben durchzuführen. Das zunehmende Interesse an automatisierten Allzweckherstellungsausrüstungen läßt vermuten, daß cie zukünftige Tendenz zu einer noch weitergehenden Verbreitung der rechnergesteuerten industrialisierten Manipulatoren oder Industrierobotern geht.to inform the machine through a series of complex movements required to carry out the particular task will. The punched tape for these control systems can easily be saved and reinserted into the machine when performing the particular task again is required. The expensive and time-consuming setup time for the controlled machine is eliminated when the punched tape once established. The machine can be designed as a general purpose machine capable of handling a perform a wide variety of work items. The increasing Interest in general purpose automated manufacturing equipment suggests that the future tendency towards an even wider spread of the computer-controlled industrialized Manipulators or industrial robots.

Die bisherigen Roboter sind in: allgemeinen Variationen dreier verschiedener Auslegungsarten. Eine dieser Auslegungen ist die Auslegung mit Verbindungsglied und Drehzapfen. Diese Auslegung verwendet eine Reihe von angelenkten Segmenten mit einem Endeffektor, z.B. eine an einem Ende befestigte Greifvorrichtung oder Schweißpistole. Eine zweite Art weist sich verlängernde Verbindungsglieder in Verbindung mit Drehzapfen auf, wobei die Enddrehzapfen der Verbindungsglieder sich längs den Achsen der Verbindungsglieder gegeneinander verschieben. Eine dritte Art von Roboterauslegung ist die gemäß den US-PS 3 739 923 und 3 922 930 verwendete, die mehrere in Reihe angeschlossene drehbare Antriebswellen verwendet zur Bildung zweier oder mehrerer Achsen einer Schwenkbewegung an einem gemeinsamen fernbedienbaren Punkt. Die Erfindung ist auf diese letztere Auslegungsart gerichtet.The previous robots are in: general variations of three different types of design. One such design is the link and pivot design. This interpretation employs a series of hinged segments with an end effector, such as a gripping device attached to one end or welding gun. A second type has elongated links in conjunction with pivot pins, wherein the end pivot pins of the links slide relative to one another along the axes of the links. One The third type of robot design is that used in US Pat. Nos. 3,739,923 and 3,922,930 which have several connected in series rotatable drive shafts used to form two or more axes of pivoting motion on one common remote controllable point. The invention is directed to this latter type of interpretation.

Inbegriffen im Konzept der automatisierten AllzweckherStellungsausrüstung ist das Erfordernis nach Anpassungsfähigkeit. In Anwendung bei Industrierobotern und insbesondere bei solchen Robotern, die durch programmierbare Rechner gesteuert werden sollen, ist das Erfordernis nach Anpassungsfähigkeit vonIncluded in the concept of general purpose automated manufacturing equipment is the requirement for adaptability. In use with industrial robots and especially with such Robots that are to be controlled by programmable computers is the requirement for adaptability of

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zentraler Bedeutung. Diese Eigenschaft unterscheidet den programmierbaren Roboter mehr als irgendeine andere Eigenschaft von einer Spezialmaschine, die nur eine begrenzte gegebene wiederholbare Funktion ausführen kann. Die durch einen programmierbaren Industrieroboter angebotene Anpassungsfähigkeit hängt von der Programmierung für die Rechner und von der Fähigkeit des Roboterarms zur Ausrichtung und Positionierung ab. Sie hängt insbesondere ab von der Positionierung und Ausrichtung des am Ende dieses Roboterarms befestigten Endeffektors. Diese Anpassungsfähigkeit wird durch Verbesserung der Ausrichtungsfähigkeiten des Roboterarms oder durch Erhöhung des Bewegungsbereichs des Endeffektors gefördert.of central importance. This characteristic sets the programmable robot apart more than any other characteristic of a special machine that is only given a limited one perform repeatable function. The through a programmable The adaptability offered by industrial robots depends on the programming for the computers and on the ability of the robot arm for alignment and positioning. It depends in particular on the positioning and alignment of the end effector attached to the end of this robot arm. This adaptability is achieved by improving alignment skills of the robot arm or by increasing the range of motion of the end effector.

Die Erfindung verwendet einen Universalgelenkabschnitt des Roboterarms von im allgemeinen der in den obigen Patentschriften angegebenen Art, macht jedoch demgegenüber bedeutende Verbesserungen, die tatsächlich alle bisherigen Vorteile erhalten und die Ausrichtungs- sowie Positionsfähigkeiten erhöhen. j Die Erfindung erhöht die Anpassungsfähigkeit des Roboters : und macht ihn noch geeigneter als automatisierte Allzweckj vorrichtung.The invention employs a universal joint portion of the robotic arm generally of that described in the above patents specified type, but makes significant improvements in contrast, which in fact retain all of the previous advantages and increase alignment and position skills. The invention increases the adaptability of the robot : and makes it even more suitable as an automated general purpose device.

Die einzigartige Anordnung der Erfindung in organisatorischer ! und lagemäßiger Hinsicht der Antriebsglieder ermöglicht drei ι in Reihe angeschlossene drehbare Wellen mit sich an einem einzigen Punkt schneidenden Wellen zur Ausführung von kontinuierlichen Rollbewegungen. Die kontinuierlichen Rollbewegungen, nämlich Drehungen um zu den Wellengliedern parallele ; Achsen,sind möglich, da die Anordnung die den bisherigen j Vorrichtungen eigene mechanische Wechselwirkung vermeidet. Diese vorteilhafte Situation ist mit der Fähigkeit einer Ausrichtung einer dritten oder am meisten entfernt gelegenen Welle um einen einzelnen Punkt verbunden, und wird dadurch erzielt, daß alle drei Wellen dazu gebracht werden, sich in einem einzigen Punkt zu schneiden.The unique arrangement of the invention in organizational! and positional terms of the drive links allows three ι rotatable shafts connected in series with shafts intersecting at a single point for the execution of continuous shafts Rolling movements. The continuous rolling movements, namely rotations around parallel to the shaft members ; Axes are possible because the arrangement is similar to the previous one j device avoids its own mechanical interaction. This advantageous situation is with the ability one Orientation of a third or most distant wave about a single point, and is thereby connected achieves that all three waves are made to intersect at a single point.

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Die Erfindung erzeugt, wie die meisten bisherigen Manipulatoren, bei ihrer Drehung durch den Raum oinen gedachten Kugelsektor. Sie ist in der Lage, ein Teil senkrecht zu einem beliebigen Punkt am erzeugten Kugelsektor auszurichten. Diese Fähigkeit beseitigt somit "Löcher" oder "Lücken" in der räumlichen Ausrichtung des Endeffektors und erhöht die Anpassungsfähigkeit des Manipulators.Like most previous manipulators, the invention generates an imaginary spherical sector when it is rotated through space. It is able to align a part perpendicular to any point on the generated spherical sector. This ability thus eliminates "holes" or "gaps" in the spatial alignment of the end effector and increases adaptability of the manipulator.

Die Erfindung betrifft Manipulatoren mit mehreren in Reihe angeschlossenen Antriebswellen mit einer an einem Ende befestigten Befestigungsfläche. Eine um eine erste Achse drehbare erste Welle, wobei die erste Achse mit einer Koordinate eines räumlichen Koordinatensystems mit zueinander senkrechten Koordinaten zusammenfällt, wird antreibend ergriffen zur übertragung einer Drehbewegung auf eine gegenüber der ersten Welle schräg ausgerichtete zweite Welle. Eine Befestigungsfläche mit einer im Winkel gegenüber der zweiten Welle ausgerichteten Mittelline ist an der zweiten Welle befestigt. Diese Befestigungsfläche ist um die Achse der zweiten Welle drehbar und weist eine Richtungskomponente der Bewegung in jeder Richtung auf, die durch das räumliche Koordinatensystem definiert ist, wenn sie um die zweite Welle gedreht wird.The invention relates to manipulators having a plurality of drive shafts connected in series with one attached at one end Mounting surface. A first shaft rotatable about a first axis, the first axis having a coordinate of a spatial coordinate system coincides with mutually perpendicular coordinates, it is used as a driving force for transmission a rotary movement on a second shaft which is oriented obliquely with respect to the first shaft. A mounting surface with a center line oriented at an angle to the second shaft is attached to the second shaft. This mounting surface is rotatable about the axis of the second shaft and has a directional component of movement in each direction defined by the spatial coordinate system when it is rotated about the second shaft.

Bei der Erfindung richtet, kurz zusammengefaßt, ein fernbedienbarer Manipulator einen an einem Ende von mehreren in Reihe angeschlossenen Antriebswellen befestigten Endeffektor aus. Der Manipulator weist zwei Sätze von konzentrischen Wellen mit Einzelwellen in jedem Satz auf, die um eine dem Satz gemeinsame Achse voneinander unabhängig drehbar sind. Die gemeinsamen Achsen der beiden Setze sind zueinander schräg ausgerichtet. Eine um eine dritte Achse drehbare dritte Welle ist im Winkel ausgerichtet und mit dem am weitesten entfernt gelegenen Satz von Wellen verbunden. Bei der bevorzugten Ausführungsform schneiden sich die Achsen der beiden Sätze und die dritte Welle in einem einzigen Punkt, wobei die Ausrichtung der dritten Achse senkrecht zu irgendeinem Punkt auf derIn the invention, briefly summarized, a remotely controlled Manipulator consists of an end effector attached to one end of several drive shafts connected in series. The manipulator has two sets of concentric shafts with single shafts in each set around one common to the set Axis can be rotated independently of each other. The common axes of the two sets are aligned obliquely to one another. A third shaft rotatable about a third axis is angularly aligned and with the furthest one Set of connected waves. In the preferred embodiment, the axes of the two sets and intersect the third shaft in a single point, with the orientation of the third axis perpendicular to any point on the

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Kugelfläche eines Kugelsektore möglich ist, der durch die kombinierte bewegung der Vielzahl von Wellen erzeugt wird.Spherical surface of a spherical sector is possible by the combined movement of the multitude of waves is generated.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt:The invention is described with reference to the drawing. In this shows:

Fig. 1 eine Schrägansicht eines rechnergesteuerten Industrieroboters mit Anwendung einer Form der Erfindung;1 shows an oblique view of a computer-controlled industrial robot using one form of the invention;

Fig. 2 einen Querschnitt des Lniversalgelenkabschnitts des Roboters von Fig. 1;Figure 2 is a cross-section of the universal joint portion of the robot of Figure 1;

Fig. 3 einen Querschnitt des Imiversalgelenks von Fig. 2, wobei zwei Achsen aus der in Fig. 2 gezeigten Lage herausgedreht sind;3 shows a cross section of the universal joint from FIG. 2, with two axes rotated out of the position shown in FIG. 2;

Fig. 4 eine schematische Darstellung der hydraulischen Motoren und des Vorderarmabschnitts von Fig. 1 mit einer Darstellung des vom Universalgelenk der bevorzugten Ausführungsform verwendeten Antriebsmechanismus.Fig. 4 is a schematic representation of the hydraulic motors and the Vorderarmabschnitts of Fig. 1 with a representation of the drive mechanism used by the universal joint of the preferred embodiment.

Insbesondere Fig. 1 zeigt einen industriellen Roboter 1 mit einem Steuergerät, das den RoLoter normalerweise in einer Umweltumgebung begleitet. Der Roboter 1 hat ein am Boden befestigtes Unterteil 2. Am Unterteil 2 ist eine Schulter 3 drehbar befestigt und weist einen sich hiervon erstreckenden oberen Armabschnitt 4 auf. Ein Scharniergelenk 5 verbindet den oberen Armabschnitt 4 mit einem Vorderarmabschnitt 6. Die gegenseitige Bewegung zwischen den Armabschnitten 4 und 6 wird von einem hydraulischen Zylinder 7 gesteuert, der sich von der Schulter 3 zu einem vcm Scharniergelenk 5 versetzten gabelförmigen Halter 8 erstreckt. Der Vorderarmabschnitt 6 besteht aus einem Satz von drei konzentrischen Wellen, die durch einzelne hydraulische und in einem Motorgehäuse 9d gehaltene Motoren 9a, 9b, 9c voneinander unabhängig drehbar sind. Ein Universalgelenk 10 schließt sich an dem dem Scharnier- In particular, Fig. 1 shows an industrial robot 1 with a control device that normally accompanies the RoLoter in an To environmental environment. The robot 1 has a lower part 2 fastened to the floor. A shoulder 3 is rotatably fastened to the lower part 2 and has an upper arm section 4 extending therefrom. A hinge 5 connects the upper arm section 4 to a forearm section 6. The mutual movement between the arm sections 4 and 6 is controlled by a hydraulic cylinder 7 which extends from the shoulder 3 to a fork-shaped holder 8 offset by a hinge 5. The forearm section 6 consists of a set of three concentric shafts which are independently rotatable by individual hydraulic motors 9a, 9b, 9c held in a motor housing 9d. A universal joint 10 connects to the hinge

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gelenk 5 gegenüberliegenden Ende an den Vorderarmabschnitt an. Das Universalgelenk IO, das Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, trägt an seinem abgelegenen Ende einen* Endeffektor (eine Endbetätigungseinrichtung) oder eine Greifvorrichtung 11. Das zugehörige Steuergerät mit einer Rechnerkonsole 12 und einer hydraulischen Antriebseinheit 13 schließt sich an den Roboter an und ist auf übliche V.'eise angeschlossenjoint 5 opposite end to the forearm section. The universal joint IO, the subject of the present Invention is, carries at its remote end an * end effector (an end control device) or a gripping device 11. The associated control device with a computer console 12 and a hydraulic drive unit 13 closes connects to the robot and is connected in the usual way

In Fig. 2 und 3 ist der Universalgelenkabschnitt 10 im Querschnitt und im größeren Detail dargestellt. Das Universalgelenk 10 weist ein geteiltes äußeres Gehäuse 14 mit Gehäuseabschnitten 14a und 14b auf, die am Vorderarmabschnitt 6 des Roboterarms befestigt sind. Die ,Gehäuseabschnitte 14a und 14b sind an einer äußeren Vorderarmwelle 15 befestigt, wobei der erstere Gehäuseabschnitt 14a gegenüber der äußeren Vorderarmwelle 15 und seinem komplementären Gehäuseabschnitt 14b drehbar befestigt und um eine Achse B-B' drehbar ist. Beide Gehäuseabschnitte 14a und 14b sind an der äußeren Vorderarmwelle 15 befestigt und hiermit bewegbar, wenn sich alle drei Glieder um eine zweite Achse A-A¹ drehen, wobei die Befesti-2 and 3, the universal joint section 10 is shown in cross section and in greater detail. The universal joint 10 has a split outer housing 14 with housing sections 14a and 14b which are attached to the forearm section 6 of the robot arm. The housing sections 14a and 14b are attached to an outer forearm shaft 15, the former housing section 14a being attached rotatably with respect to the outer forearm shaft 15 and its complementary housing section 14b and being rotatable about an axis BB '. Both housing sections 14a and 14b are fastened to the outer forearm shaft 15 and can thereby be moved when all three links ^{rotate about a second axis AA 1} , the fastening

' gung der Welle 15 mit dem Gehäuseabschnitt 14b starr ist.'movement of the shaft 15 with the housing section 14b is rigid.

j Die Drehbewegung des Gehäuseabschnitts 14a um die Achse B-B* j wird von einer zwischenliegenaen Vorderarmwelle 16 erteilt, die konzentrisch angeordnet und innerhalb der äußeren Vorderarmwelle 15 enthalten ist. Gleich der Vorderarmwelle 15 ist die dazwischen angeordnete Welle 16 um die Achse A-A* drehbar. Diese zweite Achse A-A' ist gegenüber der ersten Achse B-B* schräg angeordnet, d.h. die Achsen oder ihre Projektionen schneiden sich unter einem spitzen Winkel. Die Drehung der Welle 16 um die Achse A-A' treibt ein Kegelzahnrad 17 an, die an der Welle 16 befestigt und auch um die Achse A-A* drehbar ist. Die Zähne des Kegelzahnrads 17 stehen in Eingriff mit komplementären Kegelzähnen 18 am Gehäuseabschnitt 14a, treiben diesen drehbaren Gehäuseabschnitt 14a an und übersetzenj The rotary movement of the housing section 14a around the axis B-B * j is issued from an intermediate forearm shaft 16 which is concentrically disposed and contained within the outer forearm shaft 15. Is equal to the forearm shaft 15 the interposed shaft 16 rotatable about the axis A-A *. This second axis A-A 'is opposite the first axis B-B * arranged obliquely, i.e. the axes or their projections intersect at an acute angle. The rotation of the Shaft 16 about axis A-A 'drives a bevel gear 17 which is attached to shaft 16 and is also rotatable about axis A-A *. The teeth of the bevel gear 17 are in mesh with complementary conical teeth 18 on the housing section 14a, drive this rotatable housing section 14a and translate

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die Drehbewegung der Welle 16 um die Achse A-A¹ in eine Drehbewegung des Gehäuseabschnitts 14a um die schräg^ausgerichtete Achse B-B¹. Der Gehäuseabschnitt 14a weist eine drehbare ebene Befestigungsfläche 14c auf, deren Mittellinie C-C gegenüber der Achse B-B¹ schräg ausgerichtet ist. Der Endeffektor 11 ist drehbar an der Befestigungsfläche 14c befestigt. Somit kann der Gehäuseabschnitt 14a dadurch mehrere Funktionen ausführen, daß er zusätzlich zu seiner Gehäusefunktion als Antriebswelle dient.the rotary movement of the shaft 16 about the axis AA ¹ into a rotary movement of the housing section 14a about the obliquely aligned axis BB ¹ . The housing section 14a has a rotatable, flat fastening surface 14c, the center line CC of which is oriented obliquely with ^{respect to the axis BB 1.} The end effector 11 is rotatably attached to the attachment surface 14c. Thus, the housing section 14a can perform several functions in that it serves as a drive shaft in addition to its housing function.

Im Satz von um die Achse A-A¹ drehbaren konzentrischen Wellen 15, 16, 19 ist eine dritte Vorderarmwelle 19 innerhalb der Welle 16 angeordnet und starr an einer weiteren Antriebswelle 20 befestigt. Die Antriebswelle 20 ist ebenfalls um die Achse A-A' drehbar und erstreckt sich in das Gehäuse 14. Die Wellen 19 und 20 können offensichtlich zu einer einzigen Welle kombiniert werden. Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet eine massive Welle 20 zur Verlängerung in das Gehäuse 14 und eine hohle Welle oder ein hohles Rohr 19, das einstückig an der Welle 20 befestigt ist. Ähnlich der Vorderarmwelle 16 weist die Antriebswelle 2O ein Kegelzahnrad 21 auf, das in unmittelbarer Nähe des sich in das Gehäuse 14 er- ! streckenden Endes befestigt ist. Dieses Kegelzahnrad 21 steht j antreibend im Eingriff mit einem Kegelzahnrad 22, das an j einer vollständig im Gehäuse 14 enthaltenen inneren Welle 23In the set of ^{concentric shafts 15, 16, 19 rotatable about the axis AA 1} , a third forearm shaft 19 is arranged inside the shaft 16 and rigidly attached to a further drive shaft 20. The drive shaft 20 is also rotatable about the axis AA 'and extends into the housing 14. The shafts 19 and 20 can obviously be combined into a single shaft. The preferred embodiment of the invention uses a solid shaft 20 for extension into the housing 14 and a hollow shaft or tube 19 that is integrally attached to the shaft 20. Similar to the forearm shaft 16, the drive shaft 2O has a bevel gear 21, which is in the immediate vicinity of the in the housing 14! the stretching end is attached. This bevel gear 21 is drivingly engaged with a bevel gear 22 which is connected to an inner shaft 23 completely contained in the housing 14

! befestigt ist. Das Kegelzahnrad 22 und die Welle 23 sind um! is attached. The bevel gear 22 and the shaft 23 are around

die Achse B-B¹ drehbar und konzentrisch zum Gehäuseabschnittthe axis BB ¹ rotatable and concentric to the housing section

j oder zur Welle 14a, wobei die beiden letztgenannten Wellenj or to shaft 14a, the latter two waves

; einen zweiten Satz von konzentrischen Wellen bilden, die gegenüber dem ersten Satz von Vorderarmwellen 15, 16, 19; form a second set of concentric shafts that opposite to the first set of forearm shafts 15, 16, 19

! schräg ausgerichtet sind. Die gegenüberliegenden Enden der! are aligned obliquely. The opposite ends of the

Welle 23 sind über ein geeignetes Lagersystem in der Gehäuse-Shaft 23 are fitted with a suitable bearing system in the housing

j wollo Mil bzw. im C.rh.'ujnoiiliru-liM i M 141* '\n \ a<]t>tA . In urunlttol-j wollo Mil or in the C.rh.'ujnoiiliru-liM i M 141 * '\ n \ a <] t> tA. In urunlttol-

! barer ! barer WaUo. WaUo. des Undo» tier Wellt· 2J, dum Keyelzahnrad 22 yegen-des Undo »tier Wellt · 2J, dum Keyel gear 22 yegen-

! überliegend, befindet sich ein weiteres Kegelzahnrad 24. Das! overlying there is another bevel gear 24. The

j Kegelzahnrad 24 ist um die Achse B-B¹ drehbar und steht an-j Bevel gear 24 can be ^{rotated about axis BB 1} and is

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treibend mit einem weiteren Kegelzahnrad 25 im Eingriff. Das Kegelzahnrad 25 ist an einer einstückig mit der Befestigungsfläche 14c verbundenen Welle 26 befestigt, wobei die Befestigungsfläche 14c über geeignete Lager in der Gehäusewelle 14a gelagert ist. Die Welle 26 und auch das Kegelzahnrad 25, deren wellen mit der Mittellinie C-C der Befestigungsfläche 14c zusammenfallen, werden um diese Mittellinie j gedreht. Da die Gehäusewelle 14a ihrerseits um die Achse B-B¹ \ gedreht wird und die Welle 23 in diesem Gehäuseabschnitt gelagert ist, folgt, daß die Welle 26 und auch ihre Drehachse C-C sich zusammen mit der Drehung der Gehäusewelle 14a um ι die Achse B-B¹ drehen. Diese Drehung der Achse C-C um die Achse B-B¹ ergibt sich ohne weiteres aus einem Vergleich mit der strichpunktiert gezeigten Lage der Befestigungsfläche : 14c in Fig. 2, die durch Drehen der Gehäusewelle 14a um I einen Winkel von 180° um die Achse B-B¹ erzielt wird. Eine _; noch weitergehende Würdigung der Ausrichtungsfähigkeiten der j vorliegenden Erfindung ergibt sich aus einem Vergleich von ' Fig. 2 und 3. Fig. 3 zeigt das Universalgelenk von Fig. 2, j wobei.die Wellen 15 und 14a uiti 180° gedreht sind. jdrivingly engaged with another bevel gear 25. The bevel gear 25 is fastened to a shaft 26 connected in one piece to the fastening surface 14c, the fastening surface 14c being supported in the housing shaft 14a via suitable bearings. The shaft 26 and also the bevel gear 25, the shafts of which coincide with the center line CC of the mounting surface 14c, are rotated about this center line j. Since the housing shaft 14a is in turn ^{rotated about the axis BB 1} \ and the shaft 23 is mounted in this housing section, it follows that the shaft 26 and also its axis of rotation CC rotate together with the rotation of the housing shaft 14a about the axis BB ¹ . This rotation of the axis CC about the axis BB ¹ results from a comparison with the position of the fastening surface shown in dash-dotted lines: 14c in FIG. 2, which achieves ^{an angle of 180 ° about the axis BB 1 by rotating the housing shaft 14a by I.} will. One _; Still further appreciation of the alignment capabilities of the present invention results from a comparison of FIGS. 2 and 3. FIG. 3 shows the universal joint of FIG. 2, with the shafts 15 and 14a rotated uiti 180 °. j

ι !ι!

I iI i

: Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, bewegt jede ein- j: As can be seen from the above description, each one moves j

; ι; ι

zelne Welle des Satzes von konzentrischen Vorderarmwellen 15, j 16, 19 den an der Befestigungsfläche 14c befestigten End- ! effektor 11 um unterschiedliche Drehachsen. Die Drehung derindividual shaft of the set of concentric forearm shafts 15, j 16, 19 the end attached to the mounting surface 14c! effector 11 around different axes of rotation. The rotation of the

Vorderarmantriebswelle 15 dreht das gesamte Gehäuse 14 um ¹ die Achse A-A¹. Diese Drehung erteilt der Welle 14a ebenfallsForearm drive shaft 15 rotates the entire housing 14 about ¹ the axis AA ¹ . This rotation is also imparted to the shaft 14a

■ eine Drehbewegung um die Achse B-B¹ aufgrund der Verbindung der Kegelzahnräder 17 und 18, wobei die Bewegung der Welle 14a■ a rotary movement about the axis BB ¹ due to the connection of the bevel gears 17 and 18, the movement of the shaft 14a

j ihrerseits über die Kegelzahnräder 24 und 25 der Befestigungs-j in turn via the bevel gears 24 and 25 of the fastening

ί fläche 14c eine Drehung um die Achse C-C erteilt. Die Vorder-ί surface 14c granted a rotation about the axis C-C. The front

! armantriebswelle 16 überträgt die Drehbewegung um die Achse! arm drive shaft 16 transmits the rotary movement about the axis

■ A-A' über das Kegelzahnrad 17 und den Gehäuseabschnitt 14■ A-A 'via the bevel gear 17 and the housing section 14

in eine Drehbewegung um die schräg ausgerichtete Achse B-B¹. j Diese Bewegung erteilt in ähnlicher Weise aufgrund der Ver- ! bindung der KegelZahnräder 24 und 25 der Befestigungsfläche 14cIinto a rotary movement around the obliquely aligned axis BB ¹ . j This movement grants in a similar way due to the! binding of the bevel gears 24 and 25 of the mounting surface 14cI

'' .J .J

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eine Drehbewegung um die Achse C-C'. Die Drehung der Vorderarmwelle 19 wandelt die Drehbewegung der Antriebswellen 19 und 20 in eine Drehbewegung der schräg ausgerichteten Welle 23 um, die ihrerseits diese erteilte Bewegung in eine Drehbewegung der Welle 26 um die Achse C-C umwandelt. Wie sich aus einem Vergleich von Fig. 2 und 3 ergibt, dreht die Antriebswelle 15 die Achse B-B¹ um die Achse A-A¹, wobei die Drehung der inneren Vorderarmwelle 16 die Welle 26 um die Achse B-B¹ dreht. Die Drehung einer oder mehrerer einzelner Wellen 15 oder 16 des Satzes von konzentrischen Vorderannwellen liefert eine Planetenbewegung des Endeffektors 11.a rotary movement about the axis C-C '. The rotation of the forearm shaft 19 converts the rotational movement of the drive shafts 19 and 20 into a rotational movement of the obliquely aligned shaft 23, which in turn converts this given movement into a rotational movement of the shaft 26 about the axis CC. As can be seen from a comparison of FIGS. 2 and 3, the drive shaft 15 rotates the axis BB ¹ about the axis AA ¹ , the rotation of the inner forearm shaft 16 rotating the shaft 26 about the axis BB ¹ . The rotation of one or more individual shafts 15 or 16 of the set of concentric front shafts provides planetary motion of the end effector 11.

Gemäß Fig. 2 fällt die Achse C-C mit der Achse A-A¹ zusammen, was bei Fig. 3 nicht der Fall ist. In allen Stellungen der dargestellten Ausführungsform schneiden sich die Achsen A-A¹, ' B-B' und C-C in einem einzigen Punkt P. Das heißt u.a., daß die Achse C-C, die Welle 26 und der befestigte Endeffektor 11 durch die kombinierte Bewegung der genannten Wellen anAccording to FIG. 2, the axis CC coincides with the axis AA ¹ , which is not the case in FIG. In all positions of the embodiment shown, the axes AA ¹ , ' BB' and CC intersect at a single point P. This means, inter alia, that the axis CC, the shaft 26 and the attached end effector 11 due to the combined movement of said shafts

jedem beliebigen Punkt auf der durch dip kombinierte Bewegung [ der genannten Wellen erzeugten Kugelsektor senkrecht zur ' Kugelfläche ausgerichtet werden können. Bei den dargestelltenany point on the spherical sector generated by dip combined movement [of the waves mentioned can be aligned perpendicular to the spherical surface. In the illustrated

Ausführungsformen ist der Winkel A¹PB' zwischen der Achse A-A¹ und B-B¹ und auch der Winkel B¹PC zwischen den Achsen ! B-B' und C-C auf einen größeren Winkel als 45° festgelegt. Folglich ist der durch die Bewegung des Endeffektors erzeugte j Kugelsektor größer als eine Halbkugel und kann die Achse C-C ι an jedem beliebigen Punkt am Sektor senkrecht zur Kugelfläche ausgerichtet werden. Die Ausrichtung der Achse C-C um den < einzelnen Tunkt P ist für die senkrechte Ausrichtung der Achse j C-C' an jeder beliebigen Stelle am erzeugten Kugelsektor ohneEmbodiments is the angle A ¹ PB 'between the axes AA ¹ and BB ¹ and also the angle B ¹ PC between the axes! BB 'and CC set to an angle greater than 45 °. Consequently, the spherical sector generated by the movement of the end effector is larger than a hemisphere and the axis CC ι can be aligned perpendicular to the spherical surface at any point on the sector. The orientation of the axis CC to the <individual Dunk P is for the vertical alignment of the axis j CC 'at any point on the generated spherical sector without

jegliche "Löcher" notwendig. "Löcher" sind Stellen, in denen diese senkrechte Ausrichtung aer Achse C-C nicht möglich ist. J Die schräge Ausrichtung der Achse B-B* gegenüber der Achse A-A¹ erleichtert die Verwirklichung und Konstruktion dieserany "holes" necessary. "Holes" are places in which this perpendicular alignment of the CC axis is not possible. J The inclined alignment of the axis BB * with respect to the axis AA ¹ facilitates the implementation and construction of this

sich schneidenden Achsen. Abweichungen vom einzigen Punkt : der Achsenkoinzidenz können sehr klein gemacht werden mitintersecting axes. Deviations from the single point : the axis coincidence can be made very small with

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entsprechend kleinen "Löchern" in der durch Positionieren des Endeffektors 11 in all seinen möglichen Stellen erzeugten Kugelfläche. Wiederum wird eine kleine Abweichung vom einzigen Punkt des Achsenschnitts in seiner mechanischen Verwirklichung durch die schräge Ausrichtung der Achsen erleichtert. Kleine Abweichungen von diesen. Koinzidenzpunkt sind möglich und können sogar für einige Anwendungen bevorzugt werden. Diese Abweichungen sind jedoch von Natur aus nicht in der Lage, den ganzen Bereich der Ausrichtungsmöglichkeiten vorzusehen, die durch Anordnung der drei sich an einem einzigen Punkt schneidenden Achsen ermöglicht wird.correspondingly small "holes" in the created by positioning the end effector 11 in all its possible places Spherical surface. Again, a small deviation from the single point of the axis section is facilitated in its mechanical realization by the oblique alignment of the axes. Small deviations from these. Points of coincidence are possible and may even be preferred for some applications. However, these deviations are inherently incapable of providing the full range of orientations afforded by arranging the three on a single one Point intersecting axes is made possible.

Die schräge Ausrichtung der drei Achsen A-A¹, B-B¹ und C-C* ermöglicht dem an der Befestigungsfläche 14c der Antriebswelle j 26 befestigten Endeffektor 11 eine Bewegung mit Richtungskomponenten in jeder Richtung, die durch ein Koordinatensystem mit zueinander senkrechten Achsen definiert ist, wobei die Achse P-A¹ eine Koordinate ist. Mit anderen Worten, im Hinblick auf ein Bezugssystem X, Y, Z mit einer mit der Achse P-A¹ zusammenfallenden Koordinate X, mit einer senkrechten Koordinate Y (die ähnlich X in der Darstellungsebene liegt) und mit einer hierzu senkrechten Koordinate Z (senkrecht zur Darstellungsebene), liefert die Drehung des Endeffektors um die Achse B-B* Bewegungskomponenten in allen Richtungen X, Y und Z, die durch das Koordinatensystem mit zueinander senkrechten Achsen definiert sind. Wenn die Achse C-C um die Achse B-B' gedreht wird und nicht mit der Achse A-A¹ zusammenfällt, liefert in ähnlicher Weise eine Drehung der konzentrischen Wellen 15 und 16 um die Achse A-A* Bewegungskomponenten am Endeffektor 11 in den durch dieses Koordinatensystem definierten Y- und Z-Richtungen.The oblique alignment of the three axes AA ¹ , BB ¹ and CC * enables the end effector 11 fastened to the fastening surface 14c of the drive shaft j 26 to move with directional components in each direction, which is defined by a coordinate system with mutually perpendicular axes, the axis PA ^{1 is} a coordinate. In other words, with regard to a reference system X, Y, Z with a ^{coordinate X coinciding with the axis PA 1} , with a perpendicular coordinate Y (which is similar to X in the plane of representation) and with a coordinate Z perpendicular to this (perpendicular to the plane of representation ), the rotation of the end effector about the axis BB * supplies motion components in all directions X, Y and Z, which are defined by the coordinate system with mutually perpendicular axes. If the axis CC is rotated about the axis BB 'and does not coincide with the axis AA ¹ , a rotation of the concentric shafts 15 and 16 about the axis AA * provides motion components at the end effector 11 in the Y and defined by this coordinate system in a similar manner Z directions.

Jeder der drei konzentrischen Vorderarme 15, 16 und 19 wird von einem gesonderten hydraulischen Motor 9a, 9b und 9c gedreht, der am Scharniergelenk 5 des Roboters befestigt ist, vgl. Fig. 1. Die schematische Darstellung von Fig. 4 zeigtEach of the three concentric forearms 15, 16 and 19 is rotated by a separate hydraulic motor 9a, 9b and 9c attached to the hinge 5 of the robot, see Fig. 1. The schematic representation of Fig. 4 shows

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den zum Drehen der Antriebswellen 15, 16 und 19 um die Achse A-A¹ verwendeten Antriebsmechanismus. Der hydraulische Motor 9a weist eine sich in das Motorgehäuse 9d erstreckende Welle 30 auf. Die Welle 30 treibt ein Stirnzahnrad 31 an, das im Eingriff mit einem an der Vorderarmwelle 15 befestigten Stirnzahnrad 32 steht. Der hydraulische Motor 9c weist eine Welle und ein Stirnzahnrad 34 auf, das antreibend im Eingriff mit einem Stirnzahnrad 35 steht, bas Stirnzahnrad 35 befindet sich in axialem Abstand vom Stirnzahnrad 32 und ist an der Vorderarm welle 16 befestigt, die sich durch das Stirnzahnrad 32 und über das Ende der Vorderarmwelle 15 hinaus erstreckt. Die inner ste Vorderarmwelle 19 wird in ahnlicher Weise von einem Stirnzahnrad 36 angetrieben, das von einem Stirnzahnrad 37 an einer sich vom hydraulischen Motor 9b aus erstreckenden Welle 38 angetrieben wird. Das Stirnzahnrad 36 befindet sich in axialem Abstand vom Stirnzahnrad 35 und ist jenseits des Endes der Vorderarmwelle 16 an der Vorderarmwelle 19 befestigt.the drive mechanism used to rotate the drive shafts 15, 16 and 19 about the axis AA ¹ . The hydraulic motor 9a has a shaft 30 extending into the motor housing 9d. The shaft 30 drives a spur gear 31 which meshes with a spur gear 32 attached to the front arm shaft 15. The hydraulic motor 9c has a shaft and a spur gear 34 which is drivingly in engagement with a spur gear 35, bas spur gear 35 is located at an axial distance from the spur gear 32 and is attached to the forearm shaft 16, which is through the spur gear 32 and extends beyond the end of the forearm shaft 15. The innermost forearm shaft 19 is driven in a similar manner by a spur gear 36 which is driven by a spur gear 37 on a shaft 38 extending from the hydraulic motor 9b. The spur gear 36 is located at an axial distance from the spur gear 35 and is attached to the forearm shaft 19 on the other side of the end of the forearm shaft 16.

Die Erfindung überträgt Energie durch ein selektiv veränderlich angewinkeltes Gelenk, wobei die Erfindung oder Teile hier von von tatsächlichem Nutzen bei einer Vielzahl von eine solche Fähigkeit erfordernden Anwendungen ist.The invention transmits energy through a selectively variably angled joint, the invention, or parts thereof, having actual utility in a variety of applications requiring such ability.

Alle in der Beschreibung und den Zeichnungen angegebenen technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.All technical details given in the description and the drawings are important for the invention.

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Claims

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Cincinnati Milacron Inc., 4701 Marburg Avenue, Cincinnati, Ohio 45 209 - USA

Patent claims

Manipulator with several drive shafts connected one behind the other and a fastening plate fastened to the end of a drive shaft, characterized by a first shaft (15) rotatable ^{about a first axis (A-A '), the first axis (AA 1} ) having a coordinate ( X) of a spatial system with three mutually perpendicular coordinates (X, Y, Z) coincides with a second shaft (14a) which is rotatably mounted on the first shaft (15) and which is rotatable about a second axis (B-B '), which is arranged obliquely with respect to the first axis (A-A ') and is rotatable about this, by a first gear wheel (17) which is rotatable about the first axis (A-A') and which is drivingly in mesh with the second shaft (14a) , and through a fastening surface (14c) with a central

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line (CC), which is aligned at an angle with respect to the second shaft (14a) and attached to it, wherein the üefestigungsflache (14c) is ^{rotatable about the second axis (BB 1} ), whereby the movement of the fastening surface (14c) is a directional component of the Has movement in each direction defined by aas spatial coordinate system when the fastening surface (14c) is ^{rotated about the second axis (bb 1} ).

2. Manipulator according to claim 1, characterized by a third shaft (26) to which the fastening surface (14c) is fastened, the third shaft (26) by a third Axis (C-C) is rotatable, cie is oriented at an angle to the second axis (fa-B ').

3. Manipulator according to claim 2, characterized in that the third axis (CC) is aligned obliquely with ^{respect to the second axis (BB 1).}

4. Manipulator according to claim 3, characterized in that the angle between the first axis (A-A ') and the second axis (BB ¹ ) is fixed.

5. Manipulator according to claim 4, characterized in that the angle between the second axis (BB ¹ ) and the third axis (CC) i'eütijt.it ti

6. Manipulator according to claim I, characterized in that uie third axis (CC) intersects the first axis (AA ¹ ) and the second axis (B-B ') in a single point (P).

7. Manipulator according to claim 2, characterized by a to the first shaft (15) concentric fourth shaft (16) which is independently rotatable ^{about the first axis (AA 1} ), wherein the first gear (14) on cer fourth shaft (16) attached

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is, by a fifth shaft (19, 20) concentric to the first shaft (15), which is independently rotatable about the first axis (A-A '), by a sixth shaft (23) concentric to the second shaft (14a), aie is independently rotatable about the second axis (BB ¹ ), unc by a second gear (21) attached to the fifth shaft (19, 20), which drives the sixth shaft (23) according to the rotation of the fifth shaft (19, 20) .

8. Manipulator according to claim 7, characterized in that

the angle between the second axis (BB ¹ ) and the third

I axis (C-C) is an acute angle. :

9. Manipulator according to claim fc / characterized in that

the angle between the first axis (AA ¹ ) and ^{the second axis (BB 1} ) is fixed. |

10. Manipulator according to claim 9, characterized in that the angle between the second axis (BB ¹ ) and the third axis (CC ¹ ) is fixed.

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